低溫地熱發(fā)電循環(huán)理論優(yōu)化與有機工質(zhì)朗肯循環(huán)性能實驗研究.pdf

1、我國地熱資源豐富，但以100oC以下的低溫熱水型資源為主；傳統(tǒng)的地熱發(fā)電技術(shù)下，對這些資源作發(fā)電利用的經(jīng)濟性不足，大量資源因而未能得以開發(fā)利用。近年來，有機朗肯循環(huán)(OrganicRankineCycle,ORC)技術(shù)、有機工質(zhì)跨臨界循環(huán)(OrganicTrans-criticalCycle,OTC)技術(shù)、Kalina循環(huán)技術(shù)等新型中低溫動力循環(huán)技術(shù)的發(fā)展，連同各國政府對可再生能源發(fā)電的鼓勵政策，使得資源的經(jīng)濟發(fā)電溫度得以降低，低溫地熱

2、資源的發(fā)電潛力和經(jīng)濟性前景開始受到關(guān)注。開展基于ORC、OTC、Kalina循環(huán)、著眼于改善系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟性的低溫地熱發(fā)電技術(shù)優(yōu)化研究，具有促進低溫地熱資源發(fā)電利用，從而節(jié)約化石能源、減小與化石燃料燃燒相應(yīng)的溫室氣體CO2和大氣污染物排放的重要意義。
　　本課題以改善80-100oC熱水型地熱資源發(fā)電利用的技術(shù)經(jīng)濟性為研究目標，開展了系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟性優(yōu)化目標函數(shù)研究，系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟性影響因素和影響規(guī)律研究，ORC、OTC、Kalina循

3、環(huán)技術(shù)優(yōu)化和對比評價研究，系統(tǒng)關(guān)鍵部件性能和系統(tǒng)性能實驗優(yōu)化研究。
　　以整個地熱電站發(fā)電成本最低為根本的技術(shù)經(jīng)濟性優(yōu)化目標，通過計算與分析，揭示了系統(tǒng)比凈功最大化與整個地熱電站發(fā)電成本最低之間的一致性，由此確立了以系統(tǒng)比凈功最大化為低溫地熱發(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟性目標函數(shù)。
　　以系統(tǒng)比凈功最大化為優(yōu)化目標函數(shù)，建立了基于窄點分析的系統(tǒng)性能分析方法和系統(tǒng)仿真優(yōu)化方法等理論研究手段，開展了理論優(yōu)化研究。結(jié)果表明，指定冷熱源條件下

4、，影響ORC、OTC與Kalina循環(huán)系統(tǒng)比凈功的主要因素為工質(zhì)、循環(huán)參數(shù)、系統(tǒng)部件效率等；指定部件效率下，3類循環(huán)系統(tǒng)均存在最優(yōu)工質(zhì)和最優(yōu)循環(huán)參數(shù)分別使得各個循環(huán)系統(tǒng)的比凈功最大。得到了本文冷熱源條件和指定部件效率下3類循環(huán)系統(tǒng)各自的最優(yōu)工質(zhì)和相應(yīng)的最優(yōu)循環(huán)參數(shù)、最大比凈功；其中ORC系統(tǒng)、OTC系統(tǒng)的最優(yōu)工質(zhì)分別為非共沸混合工質(zhì)MA6、MB8和MM、MH，Kalina循環(huán)系統(tǒng)工質(zhì)NH3/H2O的最優(yōu)濃度為98/2mol％?；?類循

5、環(huán)系統(tǒng)各自的最大比凈功，綜合考慮實際系統(tǒng)的部件效率范圍以及OTC和Kalina循環(huán)系統(tǒng)分別存在壓力高和系統(tǒng)與過程復雜、工質(zhì)有毒可燃等不利于技術(shù)經(jīng)濟性的因素，得出在本課題冷熱源條件下，非共沸混合工質(zhì)ORC系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟性為最優(yōu)的對比評價結(jié)論。
　　對課題組原有的基于渦旋式膨脹機的ORC系統(tǒng)性能實驗裝置，進行了著眼于膨脹機性能研究和拓展實驗工況適用范圍、提高測量可靠性的相關(guān)改進。基于改進后的實驗裝置，開展了系統(tǒng)關(guān)鍵部件—膨脹機的性能影

6、響規(guī)律實驗研究，結(jié)果表明，膨脹機轉(zhuǎn)速、工質(zhì)膨脹比-膨脹機內(nèi)容積比間的匹配關(guān)系、工質(zhì)在高低壓膨脹腔間的泄漏，是影響渦旋式膨脹機定熵效率的主要因素；存在最優(yōu)的膨脹比與膨脹機轉(zhuǎn)速，使得膨脹機定熵效率最高；對于特定的膨脹機，最優(yōu)轉(zhuǎn)速、最優(yōu)膨脹比值基本不隨工質(zhì)、工況而變，其中最優(yōu)膨脹比與膨脹機的內(nèi)容積比基本一致。以R245fa為工質(zhì)，實驗確定了本實驗臺所用膨脹機的定熵效率隨工質(zhì)膨脹比和轉(zhuǎn)速變化的曲線，膨脹機定熵效率最大值約為82%，所對應(yīng)的膨脹機

7、轉(zhuǎn)速和工質(zhì)膨脹比分別為800rpm和2左右(該膨脹機的內(nèi)容積比為1.99)。
　　注意到以同一實驗裝置開展不同工質(zhì)的系統(tǒng)性能對比實驗研究時，存在兩種不公平因素：(1)工質(zhì)與實驗系統(tǒng)的匹配度因工質(zhì)而異；(2)系統(tǒng)部件效率對不同工質(zhì)系統(tǒng)性能的影響存在差異。如果直接以實驗結(jié)果評價不同工質(zhì)的系統(tǒng)性能將有失客觀性，并影響工質(zhì)實驗優(yōu)選質(zhì)量。對此，本文開展了工質(zhì)實驗性能客觀對比評價方法的研究，提出了對換熱器熱流密度和工質(zhì)泵效率進行校正的改進型對

8、比評價方法。以該方法為指導，對理論ORC系統(tǒng)性能較優(yōu)的純工質(zhì)R245fa、R123、R227ea和R134a，非共沸混合工質(zhì)MA6、MA3、MD1、MC1和MB8，進行了ORC系統(tǒng)性能實驗對比評價研究。結(jié)果表明：在ORC系統(tǒng)性能影響規(guī)律方面，比凈功值受冷、熱源條件的影響較大；指定的冷、熱源條件下，存在一個最優(yōu)蒸發(fā)溫度，使得系統(tǒng)比凈功最大；隨著冷凝溫度的降低，循環(huán)的最優(yōu)蒸發(fā)溫度值下降，反之亦然。在工質(zhì)性能對比方面，在熱源水進口溫度為90o